中國發現黑洞之王的背後

2020-12-04 科技日報

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科技日報記者 高博

11月28日凌晨，《自然》在線發布了中國天文學家主導的一項重大發現。中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤的研究團隊發現了一顆迄今最大質量的恆星級黑洞。

LB-1的藝術想像圖 (喻京川繪)

這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言上限，顛覆了相關認知，勢必推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。它還開闢了一條利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）的巡天優勢尋找黑洞的新路。

過去要抓現行「家暴犯」

LB-1和引力波併合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分布

黑洞分為恆星級黑洞(不到100倍太陽質量)、中等質量黑洞(100-10萬倍太陽質量)和超大質量黑洞(10萬倍太陽質量以上)。恆星級黑洞是大質量恆星的「木乃伊」，宇宙中有很多。一顆恆星臨終時如果太重（大於3倍太陽質量），就沒有任何力量可以阻止它在自身引力下塌縮成緻密的黑洞。

黑洞密度超大，相當於10個太陽重的恆星，壓縮為圓周為北京六環大小的一個球。因此引力也超強，身邊的物質包括光都無法逃離。銀河系中心就有一個約400萬倍太陽質量的大黑洞。

黑洞不發光，怎麼能看到它？通過黑洞的「家暴」證據。黑洞接近一顆恆星，施展吸星大法，撕扯掉對方的氣體物質，形成吸積盤，並射出明亮的X射線光——那是物質被黑洞吞噬前的「迴光返照」。迄今，銀河系中幾乎所有恆星級黑洞都是這樣找到的。（還有一個新方法是觀察兩個黑洞合併形成的引力波）

過去五十年，X射線暴露了約二十顆黑洞，均在3到20倍太陽質量之間。銀河裡應該有上億顆恆星級黑洞。可黑洞雙星系統中發X射線的只佔少數。那些溫柔的黑洞就很難被找到。

怪星身旁的怪黑洞

LAMOST望遠鏡和星空。國家天文臺供圖

2016年初，LAMOST科學巡天部主任張昊彤研究員和雲南天文臺韓佔文院士提出：用LAMOST觀測雙星系統。他們選擇了克卜勒一個天區（K2-0）中的3000多個天體，進行兩年的監測。他們偶然發現，有一顆B型星很惹眼：它規律地周期性運動，還有不同尋常的光譜。

順便解釋一下：光譜好比恆星的條形碼，有的星在紫色光波段能量很強，有的在藍光波段能量強，有的在紅外波段能量強……從光譜可以算出恆星的各種隱私信息。

那個B型星的光譜中有一條近乎靜止，且和B型星反相位運行的明線（Hα發射線）。根據這條線，科學家懷疑它繞著一個看不見的東西轉動，可能是黑洞。為驗明正身，研究者申請了西班牙10.4米加納利大望遠鏡(GTC)的21次觀測和美國10米凱克望遠鏡（Keck）的7次高解析度觀測，進一步確認了這顆B型星的性質。

科學家算出，這顆B型星的金屬豐度（也就是除了氫和氦以外的元素的多寡）約為太陽的1.2倍，質量約為太陽的8倍，距離我們1.4萬光年。根據B型星和Hα發射線的速度振幅之比，可以算出：有一個60-80倍太陽質量的大傢伙，它只能是黑洞。這也是迄今發現的最大恆星型黑洞。

為表彰LAMOST，天文學家給這個黑洞雙星系統命名為LB-1。與已知的恆星級黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測中現身。這顆黑洞和它的伴星相距較遠（1.5倍日地距離）。研究人員用美國錢德拉X射線天文臺對該源進行觀測，發現這顆新黑洞對其伴星的吸取非常微弱，是一個平靜溫和的好伴侶。

新發現惹人生疑

從2015年起，美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）及歐洲室女座引力波天文臺（Virgo）的引力波觀測實驗已經發現了幾十倍太陽質量的黑洞，質量遠高於先前已知的銀河系裡的恆星級黑洞。而研究人員發現的這顆70倍太陽質量的超級黑洞不僅揭示了銀河系內也存在此類大質量恆星級黑洞，同時刷新了人類對於恆星級黑洞質量上限的認知。

「出人意料！不敢相信！」該論文第一作者劉繼峰研究員回憶道。研究者們三年來反覆檢查和推敲；審稿過程也無比嚴格。排除所有可能性後，確證了這個大黑洞。

劉繼峰介紹說，一般模型認為大質量恆星級黑洞主要形成於低金屬豐度（低於1/5太陽金屬豐度）環境中，LB-1卻有一個與太陽金屬豐度相近的B型星。目前恆星演化模型只允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞，因此，LB-1的發現，意味著有關恆星演化形成黑洞的理論將被迫改寫，或者以前某種黑洞形成機制被忽視。

另一種可能性，LB-1中的黑洞或許不是由一顆恆星坍縮形成的。研究人員猜想：LB-1最初是一個三體系統，觀測到的B型星位於最外軌道，是質量最小的一個成員，而現在的黑洞是由最初內部的雙星形成的雙黑洞併合而成。在這種情形下，該系統將是黑洞併合事件的絕佳候選體，並為研究三體系統中雙黑洞形成提供了獨一無二的實驗室。

多謝LAMOST的超能力

發布會

「奇異黑洞」的發現，顯示出LAMOST望遠鏡強大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000顆眼睛（4000根光纖），一次能觀測近4000個天體。2019年3月，LAMOST公開發布了1125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的「光譜之王」。

此次研究中， LAMOST對克卜勒一個天區的3000多顆恆星曆時兩年進行了26次觀測，累計曝光時間約40小時。而一架普通四米望遠鏡幹同樣的活（每天觀測8小時），需要40年。

這顆迄今最大質量的恆星級黑洞，是LAMOST發現的第一顆黑洞，它的出現將標誌著利用LAMOST巡天優勢搜尋黑洞新時代的到來。預計未來五年，可能會發現近百個新黑洞！

1960年代時，人們曾嘗試過用「徑向速度監測」發現平靜態的黑洞雙星，但由於技術「原始」而失敗。今天，感謝LAMOST的大規模巡天優勢和速度監測，平靜的黑洞們必將走出陰影，揭開黑暗家族的內幕。

LIGO臺長大衛.雷茨評論說，「在銀河系內發現70倍太陽質量的黑洞，將迫使天文學家改寫恆星級質量黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年裡LIGO及Virgo探測到的雙黑洞併合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興」。

霍金曾寫過：「黑洞比科幻作家想像的任何東西都更奇妙」。

1915年愛因斯坦提出廣義相對論，德國物理學家卡爾·史瓦西推導出了愛因斯坦場方程式的一個精確解，預示了黑洞的存在。1965年，天鵝座X-1因其強X射線輻射成為第一顆被發現的黑洞侯選體；2015年，首次探測到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據；2019年，天文學家歷時10年利用四大洲八個觀測點捕獲了首張黑洞照片……

今天，中國學者的成果，給黑洞的黑歷史添上了濃墨重彩的一筆。

（本文科學材料由國家天文臺提供）

來源：科技日報 圖片由本文作者提供

編輯：陳小柒

審核：管晶晶

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